大掺量粉煤灰泵送混凝土早期抗压强度的试验研究.pdf

2 0 1 4 年 第 9 期 (总 第 2 9 9 期 ) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 9 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RETl CAL RES EARCH 大掺量粉煤灰泵送混凝土早期抗压强度的试验研究 刘思海，侍克斌 。吴福飞 ( 新疆农业大学 水利与土木工程学院 ，新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 5 2 ) 摘要 ： 通过理论分析和试验， 研究了大掺量粉煤灰对混凝土早期抗压强度及成本的影响。 试验所选用的胶凝材料总量为 3 7 5 k g 以 0 - 5 5 的粉煤灰替代水泥 ， 减水剂的掺量固定为 1 O ， 引气剂的掺量固定为 1 2 。 通过坍落度及不同龄期抗压强度等对 比分析 粉煤灰掺量对混凝土和易性及早期强度的影响。 结果表明， 混凝土早期抗压强度及成本随着粉煤灰掺量的增大而逐渐减小 ， 运用粉 煤灰等质量代替水泥( P O 4 2 5 级水泥) 可配制出 2 8 d 抗压强度为 2 0 MP a 以上， 成本大大降低的大掺量粉煤灰混凝土。 研究的结论 为新疆地区粉煤灰的应用提供了有效途径， 有助于制备高性能混凝土。 关键词 ： 粉煤灰 ；泵送；混凝土 ；和易性；早期强度 中图分类号： T U 5 2 8 O 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 0 4 9 0 4 Ex pe r i m en t al s t udy of hi gh vol ume f l y ash pum pi ng c onc r e t e c om pr es sive s t r eng t h ear l y U 【 ， Si h a i ， S HIKe b i n， W UFu f e i ( C o l l e g e o f C i v i l a n d H y d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， X i i ang A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y ， U r u mq i 8 3 0 0 5 2 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Th r o ug h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a nd t e s t ， s t u di e d t h e e f f e c t o fh i gh v o l u me fly a s h o n c o n c r e t e c o mpr e s s i v e s t r e n g t h an d c os t To t a l c e me n t i t i o us ma t e r i a l s t e s t f o r t he s e l e c t e d 3 7 5 k g， wi t h 0 - 5 5 fly a s h i n s t e a d o f c e me n t ， the a mo u n t o f s up e r pl a s t i c i z e r wa s fix e d a t 1 do s a g e o fa i r e n t r a i ni n g a g e n t wa s fix e d at 1 2 0 o Th r o u g h t h e s l um p a n d c o mp r e s s i ve s t r e ng t h o fc o mpa r a t i v e a n a l y s i s o ft he i n flu e n c e o f fl y a s h o n c o n c r e t e wo r k a b i l i t y a n d e a r l y s tre n g t h T h e r e s u l t s s h o we d that， t h e c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n gth and c o s t d e c r e a s e d gra d u a l l y wi th the i n c r e a s e i n t h e a mo u n t o f fl y a s h ， fl y a s h and o t h e r q u a l i t y i n s t e a d o f u s i n g c e me n t( 4 2 5 o r d i n a r y p o r t l a n d c e me n t ) c a n b e ma d e b y 28 d c o mpr e s s i v e s t r e n g t h wa s mo r e t h a n 2 0 M Pa ， a l arg e a mo u nt of f l y a s h c a n r e d u c e the c o s t o f c o n c r e t e P r o vi d e d a n e f f e c t i ve w a yfo r r e s e ar c h c o n c l u s i o n wa s the a p p l i c a t i o n o f fl y a s h i n Xi n j i ang ， c o n tr i b u t e d t o the p r e p a r a t i o n o f h i 曲 p e r f o r m anc e c o n c r e t e K e y wor d s ： fl ya s h ； p u mp i n g ； c o n c r e ； wo r k a b i l i ty； e arl y s t r e n gth 0 引言 粉煤 灰是指从燃 煤( 含煤矸 石 、 煤 泥 ) 锅炉 烟气 中收 集 的粉 尘和 炉底渣 以及 燃煤 电厂生产 过程 中产 生 的脱 硫 、 脱硝灰渣 ， 现代燃煤电厂的副产 品 1 ， 属于火山灰质活 性材料。 据国家有关部门统计 ， 我 国粉煤灰年排放量 2 0 1 0 年 4 _ 3 亿 t ， 而且平均 每年 以 1 5 的速度递增 _2 J ， 国内堆存 数 量在 1 0亿 t 以上 3 】 。 从粉煤灰综合利用开展现状来看 ， 我 国东部地 区粉煤灰综合利用工作开展好 ，市场对粉煤 灰 综合利用 产 品的需 求量大 ， 有些地 区还是 供不应 求 的情 况 。而我 国西部 地 区粉煤 灰综 合利 用工 作开 展情 况较 差 ， 利用量不多 ， 有些地 区根本没有得 到利用 只是利用储 灰场进 行 堆存 。 因此 是东部 利用 量多 ， 西 部利 用量 少现 状。 以乌鲁木齐市四电厂( 红雁池一电、 二电、 苇湖电厂和 石化 热电厂 ) 为例 ， 平均每年排 出粉煤灰 7 0 8 0 万 t ， 不仅 排放 占用大量土地 、 耗费管理人力 ， 而且大量 的粉煤灰不 加处 理 ， 就会 产生扬尘 、 污染大气 ， 若 排人水 系会造成 河 流淤塞 ， 而其 中的有毒化学 物质还会对 人体 和生物造成 危 害。 因此 ， 粉煤灰 处理 已经成为生产发展 中亟须研究解 决 的重大课题 。 目前国内对粉煤灰在水泥 、 砂浆及混凝土 中的应用 已 有一部分研究 ， 以大连理工大学 艾红梅博 士 关于粉煤灰 混凝土的试验研究为代表 ， 试验探究 了粉煤灰对混凝土强 度 的影响 ， 试验结果表 明对于水胶 比相近 ， 粉煤灰掺量不 同的各组试件 ， 早期强度随着粉煤灰掺量的增大而降低 ， 而 后期强度 的增长幅度与粉煤灰掺量成正比。 大连等地 的粉 煤灰品质无论从细度还是需水量 比均要优于新疆地 区的 粉煤灰 ， 鉴于新疆地 区对本地粉煤灰未展开深入 的试验研 究 ， 笔者基于泵送混凝土对于混凝土和易性 的更高要求 ， 在 配制大掺量粉煤灰混凝土的前提下 ， 研究在新疆 当地粉煤 灰掺量对于混凝土和易性 的影响 ， 并且寻求最优 的可行性 配制方案。 收稿 日期 ：2 0 1 4 - -0 3 1 2 基金项 目：新疆科技支撑计划项 目( 2 0 1 2 3 3 1 3 2 ) ； 新疆水利水电工程重点学科基金资助项目( X J z d x k 2 0 1 0 0 2 1 2 ) 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 原材料及试验 方法 1 1 试验原材料 ( 1 ) 水泥 ： 新疆多 浪牌 P 0 4 2 5 级 水泥 。 对所使 用 的 该水泥的化学成分和物理技术性质的测定结果分列于表 1 和表 2中。 ( 2 ) 粉煤灰 ： 采用喀什飞龙有限责任公司生产的 I I 级粉 煤灰 ， 细度 2 2 ， 需水量比 9 6 ， 灰色 ， 粉状 ， 化学成分检测 结果见表 1 。 从表 1 可以看出， 粉煤灰的主要化学成分为 S i O 、 A l 2 o 和 F e 2 0 ， ，其中 S i O 2 及 A1 2 0 二者之和常在 6 0 以上 ， 是决定粉煤灰活性的主要成分。此外 ，还含有 C a O、 Mg O 及 S O ， 等。 C a O含量较高的粉煤灰 ， 其活性一般也较高5 J 。 表 1 原材料化学组成 表 2 水泥的技术性质 蠛面 凝 间 安定性 ( m 2k g ) 用 水 量 ， 瑟 楚 性 a_了 3 6 5 1 2 8 4 1 5 5 1 9 0 合格5 9 8 0 2 1 4 4 8 0 ( 3 ) 细集料 ： 采用 乌拉泊水库上游乌鲁木齐河 中的水 洗砂 ， 砂的试验结果见表 3 。 表 3 砂的技术指标 由表 3 可知， 砂料的各项技术性质均符合 J G J 5 2 _ - 2 0 0 6 普通混凝土用砂石质量及检验方法标准 的要求 。 ( 4 ) 粗集料 ： 采用乌拉泊水库上游乌鲁木齐河 中的河 卵石 ， 最大粒径为 4 0 to n i ， 为连续级配。 饱和面干视密度为 2 6 5 2 k e C m ， 含泥量分别为 0 1 9 ， 压碎指标 3 6 。 ( 5 ) 外加剂 ： 新疆格辉科技有限公司生产 的高效减水 剂 F D N、 引气剂 C H A E 。 ( 6 ) 水 ： 试验 中拌和水和养护水均用试验室 自来水 。 1 2试 验 方 法 试验中水胶 比固定为 0 4 ， 采用不同粉煤灰掺量等质量 代换水泥， 依照G B 5 0 1 5 2 -2 0 1 2 ( 混凝土结构试验方法标准 进行试 件制作 、 养护 ， 养护至规定龄期后按 S L 3 5 2 -2 0 0 6 水工混凝土试验规程 测试其抗压强度。 2 试验经过分析与讨论 2 1 试 验 配合 比及 结 果 试验采用粉煤灰等质量替代混凝土中的水泥， 粉煤灰 和水泥共 同作为混凝土的胶凝材料 ， 所选用的胶凝材料总 量为 3 7 5 k g ， 以 0 、 3 0 、 3 5 、 4 0 、 4 5 、 5 0 、 5 5 的粉煤灰 等质量替代水 泥 ， 减水剂的掺量固定 为 1 0 ， 引气剂 的掺 量固定为 1 2 。 具体试验配合比见表4 ， 试验结果见表5 。 表 4 试验配合比 2 2 粉煤灰掺量对混凝土拌合物和易性的影响 ( 1 ) 坍落度 ： 从试 验结果 知 ， 在减水剂掺量 、 引气剂掺 量和胶凝材料一定 的前提下 ， 当粉煤灰掺量达 3 0 时， 坍落 5 0 度远远大于空 白组 ； 当粉煤灰掺量在 3 0 3 5 ， 4 0 4 5 。 5 0 5 5 时， 坍落度没有变化； 当粉煤灰掺量在 3 5 4 0 ， 4 5 5 0 时， 坍落度呈上升的趋势( 见图 1 ) ， 这主要是由 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 于粉煤 灰的密度小 于水泥 ， 因此 ， 如果在质量不变 的前提 下， 以粉煤灰等质量替代部分水泥， 加入的粉煤灰体积是 被替代的水泥体积的 1 2 倍 ， 浆体的体积也有相应的增大， 提高了混凝土拌合物的流动性。 同时从表 5 中还可以看出 ： 在减水剂为 1 0 ， 引气剂为 1 2 。 。 的前提下 ， 粉煤灰等质量 替代水泥质量为 0 - 5 5 的范围内 ， 都可 以满足泵送混凝土 的要求。 21 0 2 0 0 1 90 蜓 密 1 8 0 1 7 0 0 3U j5 40 45 ，U 55 粉煤 灰掺量 图 1 粉煤灰掺量与坍落度的的关系 ( 2 ) 黏聚性： 粉煤灰等量替代水泥后， 粉煤灰混凝土拌 合物 的不会产生各组分 的层状分离或者析出现象 ， 比空 白 组 的稠度更好 ， 不会像硅粉 混凝 土那样 十分 黏稠 ， 影响混 凝土 的可饰性 ， 同时文献 6 也表明 ， 大掺 量粉煤 灰混凝 土 的外观十分黏稠 ， 使其在运输和浇筑过程中不易离析 ， 对改 善和易性有明显好处。 ( 3 ) 保水性 ： 试验 中采用 的水胶 比满足粉煤灰混凝 土 对于水胶 比的要求 ( 水胶 比不大于 0 4 ) ， 本 身用水量不是 很大 ， 同时 由于本试验 中粉煤灰的比表面积较大于水泥 ， 需 水量大， 并且粉煤灰具有较好的亲和力， 自然混凝土拌合 物中存在的 自由水也较少 ， 泌水性较低 。 2 3 大掺量粉煤灰对混凝土早期抗压强度的影响 ( 1 ) 结合表 5 和 图 2可 以看出 ， 随着粉煤灰掺量 的增 大， 大掺量粉煤灰混凝土的早期抗压强度呈减弱的趋势 ， 当 粉煤灰掺量达到 3 0 时， 其 2 8 d的抗压强度达到3 8 9 MP a ， 可以达到同期空 白组抗压强度的 8 3 ； 而当粉煤灰掺量达 到 5 5 时 ， 其 2 8 d的抗压强度只能达到 2 3 _ 3 MP a ， 仅有 同 期空 白组抗压强度 的 5 0 ， 达到试验的最小值 。 这主要是 由于大量的粉煤灰代替水泥 ， 即把粉煤灰作为混凝土的主 要胶凝材料 ， 降低胶凝材料中水泥熟料的含量。 在水化早 期 ， 粉煤灰未参与水化 ， 其作用 主要是物理填充 、 微集料效 应 ，这种微集料效 应表现 为抗压 强度 与粉煤灰掺量成反 比 ， 即粉煤灰掺量越大 ， 早期抗压强度越低 8 1 。 ( 2 ) 各掺量下粉煤灰混凝 土的强度随着养护龄期 的延 长而增大。 在水化早期 ， 粉煤灰颗粒对水泥颗粒 的解絮作 用， 水化反应速度缓慢， 持续时间较长， 从而使大掺量粉煤 灰混凝土的早期强度较低 。 但是随着时间的延长， 水泥颗 粒不断水化 ， 产生大量的水化产物， 特别是 C a ( O H) ： 的增 多， 激发了粉煤灰中存在潜在活性的 S i O ： 和 A 1 O ， 使其参 与二次水化反应 ， 生成 C S H和 C a ( O H) ， 改善 了混凝 土 界面区域的C a ( O H) 的结构， 降低了混凝土的孔隙率， 提 高了其密实度。 因此， 粉煤灰对混凝土抗压强度的贡献主 要表现在混凝土后期 。 U jU j5 40 45 )U ， 粉煤灰掺量 ， 图2粉煤灰掺量与早期抗压强度的关系 2 4 大掺 量粉煤灰 的增 强机理探讨 本试验采用的粉煤灰中C a O的含量高达 7 8 3 ， 活I生 较 好 。 在水化早期 ， 就会有少量 的 C a O参与反应 ， 如式 ( 1 ) 。 随着水 化反应 的进行 ， 水化产物增多 ， 进而激发粉煤灰 中 的 S i O 和 A 1 2 0 参与二次反应 ， 如式 ( 2 ) 和 ( 3 ) 。 在水 化后 期 ， 与硅酸盐水泥混凝土相差不大 ， 甚至超过 1 l 】 ， 即有利于 提高粉煤灰混凝土后期的强度 。 C a O + H2 0- - C a ( OH) 2 ( 1 ) x C a ( OH) 2 + S i O2 + ( n - 1 ) H2 O- * x C a O S i O2 n H2 0 ( 2 ) x C a ( OH) 2 + A1 2 03 + ( n 一 1 ) H2 0 C a 0 A1 2 O3 。 n H2 O ( 3 ) 式中 ： 1 或 2 。 该化学反应表明水泥水化产生 C a ( O H) ： 和粉煤灰玻 璃体中的S i O 2 、 A 1 ： O 发生火山灰反应， 生成 c s H和c A H 凝胶产物 ， 加强 了薄弱的过渡区 ， 降低了混凝 土中的液相 碱度 ， 进一步促进了水泥的水化 ， 对改善混 凝土的各项性 能有显著作用。 2 5 成本 经济分析 根据新疆本地材料价格进行大掺量粉煤灰混凝 土与 空 白组混凝 土进行成本经济分析 ， 由于成本差额主要表现 在胶凝材料用量的不 同， 故只以 1 m 混凝土 中胶凝材料的 价格( 不含运费 ) 差异进行成本分析 ， 结果见表 6 。 表 6 成本分析 从表 6中可以看出粉煤灰掺量越大， 节约 的成本越大 ， 当粉煤灰掺量达到 5 5 时 ， 1 1 1 1 。 混凝土胶凝材料的成本 只 有 空 白组 的 6 5 6 。 在 实际混凝 土工程 中 ， 节 约成本 的效 果将是十分可观的。 综上所 述 ， 在胶凝材料 总量为 3 7 5 k g 、 减水剂 1 0 及 引气剂 1 2 。 。 的前提下， 粉煤灰掺量在 3 5 以内时， 混凝土 2 8 d 抗压强度可达 3 0 MP a 以上 ； 粉煤灰掺量在 4 0 5 5 5】 如 如 如 加 = 2 B d 苣 想 的 一一 一 耨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 时， 混凝土抗压强度仍 可达到 2 0 MP a 以上 。 大掺量粉煤灰 混凝 土的工作性能 随着粉煤灰掺量 的增加有所提高和改 善 ， 其密实性 、 抗渗性 、 耐化学腐蚀及后期强度均要优于硅 酸盐水泥混凝土。 在混凝 土工程 中 ， 大掺量粉煤灰混凝土 将有效 的控制施工成本。 基于以上各 点 ， 新疆地 区混凝 土 工程可应用粉煤灰掺量达 5 5 的大掺量粉煤灰混凝土 ， 其 各项指标均可满足工程 的要求 。 3结 语 ( 1 ) 大掺量粉煤灰混凝土的坍落度随着粉煤灰掺量的增 大呈现增长的趋势 ， 其黏聚性和保水性 良好 ， 工作性能优于 硅酸盐水泥混凝土 ， 有利于实现混凝土全盘机械化及 自动化 。 ( 2 ) 大掺量粉煤灰混凝土的早期抗压强度随着粉煤灰 掺量的增大( 养护龄期 ) 而呈现降低( 增长 ) 的趋势 ， 主要原 因是粉煤灰在混凝土早期 只起到微集料效应 ， 而其火山灰 活性需与水泥水化后的 C a ( O H) 发生二次反应 ， 才可提高 混凝土的后期强度 。 ( 3 ) 在胶凝材料总量为 3 7 5 k g 和 1 0 的减水剂及 1 2 的引气 剂前提 下 ， 可 以配制粉煤灰掺量达 5 5 ， 2 8 d抗压 强度达 2 0 MP a 以上的大掺量粉煤灰泵送混凝土。 ( 4 ) 新疆 本地 的粉煤灰 资源 巨大 ， 粉煤 灰掺量达 5 5 的大掺量粉煤灰泵送混凝土可以满足工程的要求 ， 其在工 作环境 中的耐久性表现 良好 ， 在今后 的混凝土工程中应更 大程度的加以利用 ， 以节约资源及成本 ， 保护环境 。 参考文献 ： 【 1 】赵青林 ， 李兆星 生态 干混砂浆 M 】 北京 ： 化学 工业出版 社 ， 结构 特点 界广 可直 2 01 2， 5 【 2 】赵凯 高掺量粉煤灰在大体积混凝土中的应用 J 林业科技情 报， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 3 2 3 3 3 】陈益民， 许仲梓 高性能水泥制备和应用的科学基础 M 】 E 京： 化学工业出版社， 2 0 0 8 ， 3 4 艾红梅 大掺量粉煤灰混凝土配合比设计与性能研究 D 】 大连 ： 大连理工大学， 2 0 0 5 【 5 】孙跃生等 混凝土裂缝控制中的材料选择【 M】 _ E 京： 化学工业出 版社 ， 2 0 0 9 ， 3 6 】 董艳臣 浅谈 粉煤灰混凝土的优越性【 J J 土木建筑学术文库 ， 2 0 0 7 ( 8 ) ： 1 9 1 1 9 2 【 7 7 M E H T A P K G r e e n i n g o f t h e c o n c r e t e i n d u s t f o r s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n n a l ， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 7 ) ： 2 3 - 2 8 【 8 KI M J K， HAN S H， S O NG Y C E f f e c t o f t e mp e r a t u r e a n d a g i n g o n t h e me c h a n i c a l pr o p e r t i e s of c o n c r e t e Pa r t I Ex p e r i me n t a l r e s u i t s J C e m C o n c r R e s ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 7 ) ： 1 0 8 7 1 0 9 4 9 19 邢世海 超掺粉煤灰混凝土耐久性研究与应 用 J 混凝土 ， 2 0 0 4 ( 7 ) ： 4 8 5 7 【 1 0 1 WE t F a j u n ， G R U T Z E C K M W， R O Y D M T h e r e t a r d i n g e ff e c t s o f fl y a s h u p o n t h e h y d r a t i o n o f c e me n t p a s t e s J T h e f i r s t 2 4 h o u r s C e m C o n c r R e s ， 1 9 8 5 ， 1 5 ( 1 ) ： 1 7 4 1 8 4 1 1 】 马先伟 大掺量粉煤灰混凝土存在的问题和可能的解决方案f J 河南城建学院学报， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 2 3 2 7 作者简介 联系地址 ： 联系电话 ： 刘思海( 1 9 9 0 一 ) ， 男 ， 研究生 ， 从事高性能混凝土耐久 性及施工技术研究。 乌鲁木齐市农大东路 3 1 1 号( 8 3 0 0 5 2 ) l 5 0 9 91 89 5 3 2 5 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m